Tiểu luận quang tử cảm biến sợi quang

Loại cảm biến này không chỉ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin cáp quang mà còn được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học,…nhằm giám sát mộ

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU CHUNG 2

NỘI DUNG 3

I Cảm biến sợi quang 3

1.1 Khái niệm cơ bản về sợi quang 3

1.2 Cảm biến sợi quang: 4

1.3 Nguyên tắc cấu tạo của cảm biến sợi quang 5

1.4 Phân loại cảm biến sợi quang: 5

II Các loại cảm biến sợi quang: 6

2.1 Cảm biến sợi quang điều biến cường độ quang (Intensity Modulated Fiber Optic Sensors - IMFSs): 6

2.1.1 Cảm biến sợi quang vi uốn cong (Fiber optic sensor microbend - FSMB) 6

2.1.2 Cảm biến suy giảm sóng(Evanescent Wave Fiber Optic Sensor - EWFOS) 7

2.1.3 Cảm biến sợi quang phản xạ (Reflection Fiber Optic Sensor - RFOS) 8

2.1.4 Cảm biến sợi quang truyền dẫn (Transmission Fiber Optic Sensor - TFOS) 9

2.1.5 Cảm biến sợi quang về sự sai khác cường độ (Differential Intensity Fiber optic sensors - DIFOSs) 9

2.2 Cảm biến sợi quang điều biến pha ( Phase Modulator Fiber Optic Sensor - PMFOSs) 10

2.2.1 Loại hai chùm tia giao thoa(Two beam interferometer): 10

2.2.2 Loại cảm biến đa chùm tia giao thoa 11

2.3 Cảm biến sợi quang điều biến bước sóng (Wavelength Modulated Fiber Optic Sensor - WMFOS) 13

2.3.1 Cảm biến sợi quang dựa trên hiện tượng huỳnh quang 14

2.3.2 Cảm biến vật đen tuyệt đối 14

2.3.3 Cảm biến cách tử Bragg: 14

III Xu hướng trong tương lai 18

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

GIỚI THIỆU CHUNG

Với sự phát minh ra laser vào năm 1960 đã đưa đến những ý tưởng mới về các

hệ thống quang học truyền tải dữ liệu Người ta nhận thấy hệ thống laser có thể gửi một số lượng dữ liệu lớn hơn rất nhiều so với sóng vi ba và các hệ thống điện tử khác Các nhà nghiên cứu đã tiến hành nhiều thí nghiệm khác nhau về truyền tải thông tin quang trong các môi trường khác nhau và đi đến kết luận môi trường truyền dẫn tín hiệu ánh sáng tốt nhất là loại sợi thủy tinh Tuy nhiên ban đầu sợi quang không được ứng dụng trong truyền tải thông tin vì độ suy hao của nó là vô cùng lớn (khoảng 1000 dB/km) Đến năm 1969, một số nhà khoa học đã chỉ ra rằng các tạp chất trong vật liệu sợi quang chính là nguyên nhân gây ra sự mất mát tín hiệu, bằng cách loại bỏ các tạp chất người ta có thể tạo ra các sợi quang học có độ suy hao thấp Năm 1970, Corning Glass Works chế tạo một sợi đa mode với suy hao dưới 20 dB/km và đến năm 1972 đã chế tạo thành công một sợi quang đa mode lõi silica với suy hao 4 dB/km

Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo sợi quang, những tính năng ưu việt và đặc tính của sợi quang các nhà thiết kế đã kết hợp các sản phẩm của thông tin sợi quang với các thiết bị quang điện tử để tạo ra cảm biến mới có tính năng ưu việt đó là cảm biến sợi quang (Fiber optic sensor) Loại cảm biến này không chỉ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin cáp quang mà còn được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học,…nhằm giám sát một loạt các thông số môi trường như vị trí, độ rung, độ biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm,

độ nhớt, hóa chất, áp suất, dòng điện, điện trường và một số yếu tố môi trường khác…

Trong tiểu luận này tôi sẽ trình bày khái quát hóa về một số loại cảm biến sợi quang:

- Cảm biến sợi quang

- Một số loại cảm biến sợi quang

- Một số ứng dụng của cảm biến sợi quang trong thực tế

NỘI DUNG

I Cảm biến sợi quang

Trước khi tìm hiểu về cảm biến sợi quang ta tìm hiểu về một số thông tin cơ bản của sợi quang:

1.1 Khái niệm cơ bản về sợi quang

Một sợi quang gồm ba phần: lõi (core), lớp vỏ (cladding) và lớp phủ (coating) Cấu trúc cơ bản được thể hiện trong hình 1

Hình 1 Cấu trúc cơ bản của một sợi quang

Lõi là một thanh hình trụ làm bằng vật liệu điện môi và thường được làm bằng thủy tinh hoặc plastic có chiết suất n1 Ánh sáng truyền chủ yếu dọc theo lõi của sợi

Lớp vỏ được làm bằng vật liệu điện môi có chiết suất n2 Loại vật liệu làm vỏ thường là thủy tinh hoặc plastic có chiết suất nhỏ hơn so chiết suất của các vật liệu làm lõi Chúng có chức năng là giảm tổn hao ánh sáng từ lõi ra bên ngoài sợi quang, giảm tổn hao do tán xạ ở bề mặt của lõi, bảo vệ các sợi khỏi các chất gây ô nhiễm bề mặt và tăng độ bền cơ học cho sợi quang

Các lớp phủ được làm từ vật liệu plastic có tính đàn hồi, nhiệm vụ của nó là bảo vệ sợi quang khỏi bị hư hỏng vật lý, ngăn ngừa trầy xước

Nguyên tắc truyền ánh sáng dọc theo sợi quang dựa trên "phản xạ toàn phần" Khi góc tới lớn hơn góc giới hạn ánh sáng được phản xạ toàn phần ở lớp võ trở lại môi trường thủy tinh (xem Hình 2) Góc tới hạn được xác định bằng cách sử dụng định luật Snell

Hình 2: Phản xạ toàn phần trong một sợi quang Sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau như theo kích thước lõi

và vỏ, theo chủng loại vật liệu, theo sự biến thiên của chiết suất trong lõi sợi và theo đặc tính truyền dẫn có sợi quang đơn mode và sợi quang đa mode Nếu phân loại theo sự phân bố chiết suất của lõi ta có: loại sợi quang SI (Step index) có chiết suất lõi và vỏ khác nhau rõ rệt theo hình bậc thang, loại sợi quang GI (Gradient index) có

Sợi bảo vệ Võ bọc dây cáp

Lớp phủ Lõi

Lớp vỏ

Lớp võ (n 2 ) Lõi (n 1 )

Phản xạ toàn phần

Chùm sáng tới

chiếc suất giảm dần từ tâm lõi ra phía vỏ sợi quang Sự khác nhau của những loại sợi quang này được mô tả ở hình 3

Hình 3 Các loại sợi quang khác nhau

1.2 Cảm biến sợi quang:

Như chúng ta biết cảm biến được định nghĩa là một thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành đại lượng điện có thể

đo được như dòng điện, điện thế, … Với sự phát triển của khoa học kỉ thuật và công nghệ ra đời nhiều loại cảm biến khác nhau Trong tiểu luận này ta nghiên tìm hiểu

về cảm biến sợi quang

Cảm biến sợi quang thực chất là một cảm biến sử dụng sợi quang như là một phần tử cảm biến (các cảm biến nội tại), hoặc là như một phương tiện truyền tín hiệu của một cảm biến ở xa đến bộ xử lí (cảm biến ngoại sinh) Tùy thuộc vào mục đích

sử dụng mà bộ cảm biến sợi quang có một hay nhiều sợi quang ghép với nhau và cung có kích thước khác nhau

Cảm biến sợi quang có nhiều lợi thế hơn các cảm biến điện tử thông thường

là bởi vì chúng có những ưu điểm sau: Kích thước khá nhỏ gọn, nhẹ, và có thể tích hợp vào một loạt các cấu trúc một cách dễ dàn bao gồm cả vật liệu composite, không dẫn điện, không bị nhiễu bởi sóng điện từ và nhiễu tần số radio, có khả năng chống chịu tốt với môi trường khắc nghiệt, độ nhạy cao, có khả năng hình thành mạng lưới cảm biến, có khả năng cảm biến ở xa tốt và chức năng cảm biến đa dạng: áp lực, ăn mòn, nhiệt độ và tín hiệu âm thanh…

Buffer Cladding

Core

(a)

n 1

n 2

n(r) Multimode

Gradient Index (MMGI)

Single mode Step Index (SMSI)

Multimode Step Index (MMSI)

(b)

1.3 Nguyên tắc cấu tạo của cảm biến sợi quang

Cấu trúc chung của một hệ thống cảm biến sợi quang học được thể hiện trong hình 4 Nó bao gồm

+ Một nguồn quang (Optical source): Laser, LED, Laser diode …

+ Sợi quang (optic fiber)

+ Cảm biến hoặc phần tử điều biến (Sensor or modolator element): gồm bộ chuyển đổi (transducer) và vùng đo (measurand) là bộ phận có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thu vào

+ Đầu dò quang (Detecor optic) và thiết bị điện tử xử lý (electronic processing) như máy dao động kí, máy phân tích phổ quang học

Hình 4 Các thành phần cơ bản của một hệ thống cảm biến sợi quang

1.4 Phân loại cảm biến sợi quang:

Cảm biến sợi quang có phân loại theo ba cách sau:

- Theo vị trí cảm biến có thể chia cảm biến sợi quang thành hai loại:

+ Cảm biến sợi quang nội tại (hình 5.a): các sợi quang được sử dụng nhằm truyền dẫn ánh sáng từ nguồn đến điều biến ánh sáng tác động lên môi trường và truyền những tín hiệu sáng này đến đầu do Hay nói cách khác sợi quang hoạt động như một phương tiện truyền ánh sáng

+ Cảm biến sợi quang ngoại sinh (hình 5.b): Sợi quang được sử dụng như một

bộ chuyển đổi tín hiệu môi trường khi có sự biến đổi của chùm sáng truyền trong sợi quang khi có các tác nhân bên ngoài tác động lên cuộn dây làm nó biến dạng

Hình 5: Cảm biến sợi quang bên ngoài và bên trong

- Theo nguyên tắc hoạt động ta có loại cảm biến điều biến hoặc cảm biến giải điều biến Đây là bộ cảm biến sợi quang có thể ghi nhận được cường độ, pha, tần số hoặc phân cực của ánh sáng Tất cả các thông số này có thể bị thay đổi do nhiễu loạn

Sợi

vào

Sợi

ra Điều biến ánh sáng

Tín hiệu môi trường

Đầu dò ánh sáng Nguồn sáng

a) Cảm biến sợi quang ngoài

Sợi vào

Sợi ra Sợi quang như bộ chuyển đổi

Tín hiệu môi trường

Đầu dò ánh sáng Nguồn sáng

b) Cảm biến sợi quang trong

bên ngoài Như vậy, bằng cách phát hiện sự thay đổi các thông số này, các nhiễu loạn bên ngoài có thể được ghi nhận

- Theo ứng dụng của chúng ta chia thành:

+ Cảm biến vật lý: sử dụng để đo các tính chất vật lý như: nhiệt độ, áp suất,

độ biến dạng, …

+ Cảm biến hóa học: sử dụng đo độ pH, phân tích khí, nghiên cứu phổ,… + Cảm biến sinh - y khoa (Bio - medical): được sử dụng trong các ứng dụng

y sinh học như đo lưu lượng máu, hàm lượng glucose, nội soi, …

II Các loại cảm biến sợi quang:

2.1 Cảm biến sợi quang điều biến cường độ quang (Intensity Modulated Fiber Optic Sensors - IMFSs):

Cảm biến IMFSs hoạt động theo nguyên tắc sự sự suy giảm cường độ quang

có thể do phản xạ, do truyền dẫn, do biến dạng sợi quang Loại cảm biến IMFSs có nhiều ưu điểm như: chế tạo đơn giản, chi phí thấp, có khả năng ghép theo kênh,… Tuy nhiên chúng cũng có một số nhược điểm là: phép đo có độ chính xác không cao

và nếu có sự thay đổi cường độ của nguồn sáng có thể dẫn đến kết quả bị sai lệch để khắc phục nhược điểm này cần khi sử dụng một hệ thống tham chiếu

Loại cảm biến IMFSs dựa vào cơ chế làm suy giảm cường độ sáng có thể chia thành các loại sau:

2.1.1 Cảm biến sợi quang vi uốn cong (Fiber optic sensor microbend - FSMB)

Cảm biến FSMB là loại cảm biến hoạt động theo nguyên tắc đo sự suy giảm cường độ quang qua sợi quang khi có sự uốn cong cơ học nhỏ một cách tuần hoàn của sợi quang

Sơ đồ cấu tạo đơn giản của loại cảm biến FSMB được mô tả trong hình 6 gồm: + Nguồn sáng: laser hoạc LED

+ Sợi quang đa mode

+ Bộ phân gây biến dạng sợi quang là hai rãnh tấm

+ Thiết bị đo cường độ sáng: các bộ chuyển đổi tính hiệu quang thành tín hiệu điện, bộ khuếch đại,…

Hình 6: Sơ đồ cấu tạo đơn giản của cảm biến sợi quang nội tại vi uốn cong

* Nguyên tắc hoạt động:

Nguồn sáng

Sợi quang

Thiết bi đo cường độ sáng

Bộ phân gây biến dạng sợi quang

Nếu đưa ánh sáng vào sợi quang mà chưa có tác động từ bên ngoài nên sợi quang chưa bị uống cong nên ánh sáng truyền từ nguồn đến đầu dò hầu như không

bị mất mát hình 7a

Hình 7a Khi chưa có áp lực từ bên ngoài Khi tác động áp lực lên tấm ở phía trên thì tấm này dịch chuyển đi xuống làm cho sợi quang bị uống cong, khi bán kính uống cong vượt khỏi giới hạn cong cho phép sẽ làm cho tia sáng bên trong lõi bị rò ra vỏ làm giảm cường độ chùm sáng Kết quả sự suy giảm này được đầu dò đo đạt ở đầu ra (Hình 7.b)

Hình 7.b: Sự suy giảm cường độ tín hiệu đầu ra khi có áp lực

2.1.2 Cảm biến suy giảm sóng(Evanescent Wave Fiber Optic Sensor - EWFOS)

Một loại cảm biến khác dựa vào cường độ là cảm biến EWFOS Loại cảm biến này ghi nhận sự suy hao sóng do bị hấp thụ bởi hóa chất Cảm biến hóa học thường sử dụng theo nguyên tắc này

Cấu tạo cảm biến EWFOS được mô tả trong hình 7 gồm: nguồn laser, thấu kính hội tụ chùm tia đến sợi quang, sợi quang là loại sợi đa mode được đặt trong một buồng dùng để cho hóa chất đi qua, sợi quang có một phần bị bóc võ mục đích để hóa chất đi vào buồng sẽ hấp thu sóng ánh sáng làm suy giảm sóng và sóng được ghi nhận ở bộ phận đầu dò

Hình 7: Cấu tạo đơn giản của cảm biến EWFOS Như đã đề cập ở trên nguyên lý làm việc của loại cảm biến này dựa vào sự suy giảm sóng ánh sáng do sự hấp thụ của hóa chất Để làm được điều này sợi quang cần phải tách một phần lớp vỏ Để cảm biến hoạt động người ta sử dụng một nguồn

Ánh sáng

Cao

Ánh sáng ra

Chưa tác động

Lực tác dụng

Ánh sáng vào

Ánh sáng ra

Thấp

Laser

Thấu kính

Sợi đa mode

Vùng cảm biến

Đầu dò Đầu vào

Đầu ra

ánh sáng có bước sóng có thể hấp thụ bởi các hoá chất Khi ánh sáng đi qua sợi quang đến vùng có lớp võ bị tách ra sẽ bị hấp thụ bởi hóa chất khiến cho sóng ánh sáng bị giả cường độ, sự giảm cường độ tùy thuộc vào nồng độ hóa chất đưa vào Kết quả là

đo sự thay đổi trong cường độ ánh sáng theo nồng độ hoá chất ở đầu dò Chúng ta

có thể thay thế vật liệu làm vỏ bọc của sợi quang bằng một chất nhộm hữu cơ mà không cần tách vỏ bọc của sợi quang và thực hiện phép đo một cách tương tự

2.1.3 Cảm biến sợi quang phản xạ (Reflection Fiber Optic Sensor - RFOS)

Cấu tạo cơ bản của loại cảm biến RFOS như sau hình 8:

+ Nguồn sáng: băng rộng thường sử dụng laser diode (LD)

+ Sợi quang: đa mode

+ Bộ ghép nối (3dB coupler) có nhiệm vụ chuyển tải tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ đến mo - đun phát hiện (Detecting Module):

+ Detecting Module: có nhiệm vụ xử lí các tín hiệu thu được

Hình 8: Sơ đồ cấu tạo đơn giản của bộ cảm biến RFOS

* Nguyên tắc hoạt động: Sử dụng nguồn sáng laser diode băng rộng truyền vào bộ ghép 3 dB, khi đó ánh sáng sẽ truyền vào sợi quang có công suất tới Pin sau

đó phản xạ ở gương truyền ngược trở lại trong quá trình truyền sẽ có sự suy giảm cường độ của chùm phản xạ công suất lúc này là Pout Chùm phản xạ và chùm tới được đưa đến bộ dò phát hiện để do cường độ Công suất Pout tỉ lệ với khoảng cách

từ đầu sợi quang đến gương phản xạ (hình 9)

Hình 9 Mô tả quá trình xảy ra ở sợi quang và gương phản xạ

phản xạ

Bộ ghép: 3dB

Buồng lọc

Bộ chỉnh lưu Bộ lọc chọn lựa Bộ khuếch đai Dsp Unit

Bộ KĐ thức cấp

Mo - đun phát hiện

Gương phản xạ có thể chuyển động

2.1.4 Cảm biến sợi quang truyền dẫn (Transmission Fiber Optic Sensor - TFOS)

Loại cảm biến này có cấu tạo được mô tả ở hình 10 Gồm hai sợi quang đặt cách nhau một khoảng L Nguyên lý hoạt động của loại cảm biến này giống với loại cảm biến RFOS nêu trong mục 2.1.3

Hình 10: Một mô hình đơn giản của cảm biến TFOS Loại cảm biến TFOS thường được dùng để đo khoảng cách từ vật đến cảm biến, và đo biến dạng bề mặt Hạn chế của loại cảm biến này là không có tín hiệu đối chiếu khi có sự thay đổi cường độ của chùm sáng dễ đưa đến kết quả đo đạt không chính xác

2.1.5 Cảm biến sợi quang về sự sai khác cường độ (Differential Intensity Fiber optic sensors - DIFOSs)

Sơ đồ cấu tạo của loại cảm biến này được mô tả trong hình 11

Hình 11: Sơ đồ khối đơn giản của bộ cảm biến DIFOSs Các bộ phận chính của bộ cảm biến này là:

+ Nguồn phổ rộng: Laser diode

+ Bộ ghép có nhiệm vụ chia cường độ sáng qua hai nhánh

+ Nhánh cảm biến

+ Nhánh đối chiếu

* Nguyên tắc hoạt động: Có chế hoạt động dựa của loại cảm biến này gần giống với cảm biến RFOS nêu ở mục 2.1.3 chỉ khác là có một nhánh đối chiếu Công suất ghi nhận được là Pout1 - Pout2 ∝ L1 - L2

Nhánh cảm biến

Nhánh đối chiếu

Bộ ghép Nguồn

sáng

2.2 Cảm biến sợi quang điều biến pha ( Phase Modulator Fiber Optic Sensor - PMFOSs)

Cảm biến PMFOSs hoạt động theo nguyên lý ghi nhận những thay đổi trong pha ánh sáng trong quá trình giao thoa ánh sáng để phát hiện vật thể cần đo Bộ phận chính của cảm biến PMFOSs là giao thoa kế được chế tạo cùng với sợi quang Ưu điểm của loại cảm biến này nhạy hơn cảm biến cường độ

Căn cứ vào giao thoa kế và số chùm tia giao thoa người ta chia cảm biến thành hai loại:

2.2.1 Loại hai chùm tia giao thoa(Two beam interferometer):

Trong loại cảm biến này chia làm hai loại khác nhau đó là cảm biến sử dụng giáo thoa kế Michelson và cảm biến sử dụng Mach-Zehnder

* Giao thoa kế Michelson

Cấu tạo của bộ cảm biến sở dụng giao thoa kế Michelson được mô tả như trong hình 12

Hình 12: Cảm biến sử dụng giao thoa kế Michelson + Nguồn sáng Laser diode phải là nguồn kết hợp

+ Bộ chia ánh sáng: 50:50

+ Hai gương phản xạ R1 và R2

+ Hai sợi quang có chiều dài L1 và L2

Hoạt động: ánh sáng từ nguồn sáng LD tới bộ chia (2×2 coupler) sẽ được tách thành hai chùm theo hai sợi quang cảm biến L1 và sợi quang đối chiếu L2 đến các gương phản xạ R1 và R2 Tại hai gương R1 và R2 ánh sáng bị phản xạ ngược trở lại truyền ngược lại bộ chia sau đó được truyền dẫn đến đầu dò (Detector) để ghi nhân

sự thay đổi cường độ sáng theo độ lệch pha giữa ánh sáng tới và ánh sáng phản xạ Cường độ ánh sáng thu được theo công thức:

𝐼 = 𝐼0

4(𝑅1+ 𝑅2)[1 + 2 √𝑅1𝑅2

𝑅1+ 𝑅2cos[2𝑘(𝐿1− 𝐿2)]]

Từ sơ đồ ta thấy ánh sáng đi qua hai lần cả sợi cảm biến và sợi đối chiếu nên

sự lệch pha quang trên một đơn vị chiều dài của sợi được tăng gấp đôi nên giao thoa

kế Michelson có độ nhạy cao Và cảm biến sử dụng giao thoa kế Michelson là các cảm biến có thể được làm việc với chỉ một sợi quang duy nhất giữa các module nguồn dò và cảm biến

* Giao thoa kế Mach-Zehnder

Cấu tạo của cảm biến sợi quang sử dụng giao thoa kế Mach - Zehnder như hình 13

+ Nguồn sáng

+ Hai bộ chia: 2×2 Coupler và Coupler